怎样选用晶体管

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(于闻)在设计晶体管线路和制作晶体管放大器或收音机时,首先要根据一定的技术要求选用晶体管。怎样根据工作稳定性、工作频率,功率增益和输出功率等一些主要的技术要求选择和使用晶体管?应该根据那些参数来选用?用到什么地方要重点考虑什么参数?或者手中已有现成的晶体管,怎样使用它才能发挥它的最大作用以获得最好的技术要求?这一连串的问题是无线电技术工作者和爱好者在选用晶体管时需要首先了解的。这里不打算讲详细的设计方法,只以几种放大器为例扼要地加以说明。

1.选用晶体管最基本的考虑。

选用任意一个电子器件(包括晶体管在内),首先要考虑这个器件是好的还是坏的,能不能使用,或者在使用过程中工作状态是否稳定和可靠。电子器件除从外观上和结构上考虑是否损坏之外,还要考虑它的电气性能是好是坏,是否稳定。这些考虑对晶体管尤为重要。幸运的是,晶体管可以用一两个最基本的参数作初步的判断和评定。而且这种评定不管晶体管是高频还是低频的,也不管要用在什么线路中,大致都是一样的。

大家知道,集电极反向饱和电流I\(_{co}\)是晶体管最重要的参数。如果Ico大时,某极开路时的集电极和发射极间的反向饱和电流I\(_{do}\)也比较大。这时晶体管的功率增益将减小,噪声增大,更重要的是工作状态不稳定,不能在较长的时间内在各种环境状态下可靠地工作。这是因为,Ico或I\(_{do}\)构成集电极工作电流的一部分,甚至大部分,而Ico和I\(_{do}\)随温度的变化特别灵敏,致使晶体管的工作点不稳定,使放大性能随温度的变化而变动,甚至难以正常工作。 Ico或I\(_{do}\)大时,晶体管的输出电阻将会降低,因而功率增益也将降低。

有时晶体管的I\(_{co}\)和Ido在干燥情况下测量时并不大,但是在潮湿的环境中变大了。这说明晶体管管壳密封不良,这是晶体管致命之伤。这种晶体管经不起长期使用,尤其在温度高湿度大的天气中工作不会稳定,天长日久就会失效,不能可靠地工作。

由上述可知,要选用I\(_{co}\)或Ido小而稳定的晶体管,这是对晶体管的最基本的要求。

其次检查晶体管具备不具备基本的放大能力,可测量晶体管的共基极短路电流放大系数α。实际检查它有多大,稳定不稳定。

其他一些基本参数,如击穿电压等,如果晶体管没有损坏,一般不会发生变化,可以根据规格表上的规定使用。

2.作低频功率放大用的晶体管的选用。

低频功率放大器的技术要求首先是它能向负荷输出多大的功率,有多大的非线性失真,其次才是它有多大的功率增益。

晶体管能输出的最大功率由最大集电极功率损耗、最大集电极电压和最高结温度等极限值参数限制着。

晶体管在这些极限值参数的范围内使用,在单臂甲类的低频功率放大器中工作时,一只晶体管在常温下能得到的最大输出功率P\(_{0}\)为其最大集电极功率损耗Pc的一半以下,即 P\(_{0}\)≤\(\frac{1}{2}\)Pco但是, 考虑到能够在高温下工作和能够承受过负荷的作用,一只晶体管能安全可靠地输出的最大功率为其最大集电极功率损耗的1/3以下,即P\(_{0}\)≤1;3Pc。反过来说,要求安全和可靠的输出某一定的输出功率P\(_{0}\)时,就要选用最大集电极功率损耗Pc等于P\(_{0}\)的三倍或三倍以上的晶体管。

集电极直流工作电压不能大到使集电极电压的最大振幅超过最大集电极电压。可以把集电极直流工作电压取得稍低一些,例如6伏,并使达到上述的最大输出功率P\(_{0}\)=\(\frac{1}{3}\)Pc。 这时集电极电流将超过规格表上的最大集电极电流。但这时不会使晶体管损坏,因为最大集电极电流不是破坏性的参数。如果集电极电压用得太低(例如3伏),就不能要求达到最大输出功率。因为这时虽然并未超过最大集电极损耗功率,晶体管不致损坏,但是集电极电流将会非常大,以致功率增益大大降低,波形失真非常严重。这时只有减小电流,降低输出功率。

现在举例来说,П6晶体管在常温下最大集电极功率损耗为150毫瓦,因此用它来作单臂甲类低频功率放大器,电源电压用6伏以上时,可以安全而可靠地输出50毫瓦的功率,失真还不会太大。

晶体管作乙类推挽低频功率放大器用时失真会很大,因此一般要作甲乙类运用。两只晶体管作甲乙类推挽低频功率放大器用时,在常温下能够得到的总输出功率P'\(_{0}\),可达一只晶体管的最大集电极功率损耗Pc的4~5倍,即P'\(_{0}\)≤5Pc。以П6来说,总输出功率可达600~750毫瓦。但这是只从功率的观点考虑的,在输出这样大功率的情况下,波形失真会非常大。因此推挽功率放大器的输出功率主要要从波形失真来考虑。在考虑波形的失真问题时,两只晶体管作甲乙类推挽低频放大时的最大输出功率P'\(_{0}\),不超过集电极直流工作电压Vc和波形失真尚可满足要求的集电极信号电流最大振幅I\(_{c}\)最大的乘积的一半,即P'0≤V\(_{c}\)Ic最大/2 。I\(_{c}\)最大根据所要求的失真的大小而定,可以从晶体管的输出特性曲线族查看出来。图1举例示出П6的共发射极的集电极输出特性曲线族,从图中可以看出,集电极 电流愈大,曲线愈密集,这表示波形愈趋向失真。可以从曲线族比较显著密集的程度查看出失真的程度以确定Ic最大。对于不同的晶体管,曲线开始密集时的集电极电流愈大,也就是I\(_{c}\)最大愈大,最大不失真的输出功率就愈大。因此要从输出特性曲线族开始密集的电流大小,或Ic最大的大小来选择晶体管。在图1中,I\(_{c}\)最大大致为40毫安左右。因此两只П6作甲乙类推挽功率放大器时,电源电压如用最大集 电极电压之一半,即15伏,则失真还可满足要求(约10%)时的总输出功率为300毫瓦。如果用6伏,则为110 毫瓦左右。反过来说,要求放大器输出功率为100毫瓦以下时,可以选用П6作甲乙类推挽放大,电源电压可用6伏。如果要求输出功率达250~300毫瓦,也可以用П6作甲乙类推挽放大,不过电源电压要用到15伏。

图1
图1 🔍原图 (592×487)

其次要考虑晶体管作功率放大器用时的功率增益。大家知道,晶体管作共发射极运用时功率增益最大。因此在这里和下面都只讨论共发射极的放大器。不管是单臂还是推挽线路,一级共发射极功率放大器的功率增益,在一定的输出功率下,与共发射极短路电流放大系数β的平方成正比,与集电极直流工作电压的平方成正比,而与基极电阻r\(_{b}\)成反比。因此功率放大器要选用电流放大系数大的晶体管,同时也应注意基极电阻要小。集电极直流电压要尽可能用得高一些。例如П6A的α为0.9以上,β为9以上,П6B的α和β分别为0.94和16以上。因此П6B的功率增益就是П6A的(\(\frac{16}{9}\))\(^{2}\)≈3倍,即大4分贝以上。

3.作低频放大用的晶体管的选用

这里所说的低频放大器是指作一般用途的小功率低频放大器,因此它的技术要求主要是要有尽可能大的功率增益,在某些地方要求噪声很小。对输出功率基本上没有什么要求,或者要求较低。

晶体管放大器在输出端和输入端都在匹配状态时功率增益最大,这时的功率增益叫匹配功率增益。有些低频晶体管在规格表上直接列出了共发射极的功率放大系数。它和上述的匹配功率增益很相近。因此可以直接依这个参数的大小来判断晶体管作低频放大器时功率增益的大小。例如,对于П6来说,从规格表上知,П6Г功率增益最大,П6A最小,其他П6管的增益介于两者之间。

如果没列出这个参数,就要从低频h参数来估算匹配功率增益。晶体管共发射极低频放大器的匹配功率增益,可以近似地认为和共基极的h\(_{21}\)(即短路电流放大系数)的平方成正比,和共基极的h11(即短路输入电阻)、h\(_{22}\)(即开路输出电导)成反比。这些共基极的h参数一般都可以从规格表中查出来。由此可知,作低频放大器用的晶体管首先要选用电流放大系数大的晶体管,因为增益与它的平方成正比,但同时也要注意h11和h\(_{22}\)的大小,它们的数值愈小愈佳。

在晶体管的参数中,表征噪声大小的参数是噪声系数。在对噪声有特殊要求的放大器中,要选用噪声系数小的晶体管。在П6晶体管中П6Д的噪声系数最小,应选用П6Д作低噪声的低频放大器。

低频放大器的运用频率一般在数千赫以下,所有晶体管都可以满足要求,因此可以不考虑它的截止频率或最高振荡频率。一般晶体管的集电极电容不超过50~100微微法,在低频放大器中也可以不考虑它的作用。

4.作中频和高频放大用的高频晶体管的选用

晶体管中频和高频放大器的技术要求主要是中频和高频(下面为简便计统称为高频)的功率增益和选择性,而与晶体管本身有关的是功率增益。

从高频等效电路可以推出,共发射极的高频功率增益是和共基极电放大系数α的截止频率f\(_{α}\)成正比,和基极电阻r'b、集电极电容C\(_{c}\)成反比。因此选用晶体管时不仅要求fα高,而且要求r'\(_{b}\)、和Cc或其乘积r'\(_{b}\)Cc小。一般高频晶体管在低频时的电流放大系数α\(_{O}\)都在0.94~0.99之间,相差很少,对高频功率增益的影响不大,所以在选管时可以不考虑这个参数。

应当注意,截止频率f\(_{α}\)并不是晶体管用作高频放大器时可以达到的工作频率。因为功率增益不仅和α有关,而且和输入电阻以及输出电导有关。当频率增到fα时,虽然α只降低到原值的0.7(3分贝),但这时的输出电导却大大增加,功率增益就非常小了。由计算知道,如果要求功率增益在30分贝以上,一般晶体管只能用在f\(_{α}\)的十分之一的频率上下;如果要求增益为20分贝以上时,fα至少也要比工作频率大5倍以上才可以。

有的高频晶体管,例如П401等,直接给出最高振荡频率f\(_{max}\)这样一个高频参数。晶体管高频功率增益Gp高等于f\(_{max}\)和工作频率f的比值的平方,即Gp高=(\(\frac{f}{_{max}}\)f)2。因此fmax已知时,很容易根据所用的工作频率f计算出功率增益。所以根据f\(_{max}\)选用晶体管又方便又准确。

П401型晶体管的f\(_{α}\)在几十兆赫以上,它作465千赫中频放大器用时,增益可达36分贝左右。作1兆赫放大器用时,增益也在30分贝上下。

П6型晶体管,f\(_{α}\)一般在465千赫到1.5兆赫之间,作465千赫中频放大器用,增益只有十几分贝,这是太低了,所以П6不宜作中频放大用,只能作低频放大用。